a28d8572eb2f8997b3840b2c674a3619618f20fa
[csit.git] / docs / report / vpp_performance_tests / overview.rst
1 Overview
2 ========
3
4 Tested Physical Topologies
5 --------------------------
6
7 CSIT VPP performance tests are executed on physical baremetal servers hosted by
8 LF FD.io project. Testbed physical topology is shown in the figure below.
9
10 ::
11
12     +------------------------+           +------------------------+
13     |                        |           |                        |
14     |  +------------------+  |           |  +------------------+  |
15     |  |                  |  |           |  |                  |  |
16     |  |                  <----------------->                  |  |
17     |  |       DUT1       |  |           |  |       DUT2       |  |
18     |  +--^---------------+  |           |  +---------------^--+  |
19     |     |                  |           |                  |     |
20     |     |            SUT1  |           |  SUT2            |     |
21     +------------------------+           +------------------^-----+
22           |                                                 |
23           |                                                 |
24           |                  +-----------+                  |
25           |                  |           |                  |
26           +------------------>    TG     <------------------+
27                              |           |
28                              +-----------+
29
30 SUT1 and SUT2 are two System Under Test servers (Cisco UCS C240, each with two
31 Intel XEON CPUs), TG is a Traffic Generator (TG, another Cisco UCS C240, with
32 two Intel XEON CPUs). SUTs run VPP SW application in Linux user-mode as a
33 Device Under Test (DUT). TG runs TRex SW application as a packet Traffic
34 Generator. Physical connectivity between SUTs and to TG is provided using
35 different NIC models that need to be tested for performance. Currently
36 installed and tested NIC models include:
37
38 #. 2port10GE X520-DA2 Intel.
39 #. 2port10GE X710 Intel.
40 #. 2port10GE VIC1227 Cisco.
41 #. 2port40GE VIC1385 Cisco.
42 #. 2port40GE XL710 Intel.
43
44 From SUT and DUT perspective, all performance tests involve forwarding packets
45 between two physical Ethernet ports (10GE or 40GE). Due to the number of
46 listed NIC models tested and available PCI slot capacity in SUT servers, in
47 all of the above cases both physical ports are located on the same NIC. In
48 some test cases this results in measured packet throughput being limited not
49 by VPP DUT but by either the physical interface or the NIC capacity.
50
51 Going forward CSIT project will be looking to add more hardware into FD.io
52 performance labs to address larger scale multi-interface and multi-NIC
53 performance testing scenarios.
54
55 For test cases that require DUT (VPP) to communicate with VM(s) over vhost-user
56 interfaces, N of VM instances are created on SUT1 and SUT2. For N=1 DUT (VPP)
57 forwards packets between vhostuser and physical interfaces. For N>1 DUT (VPP) a
58 logical service chain forwarding topology is created on DUT (VPP) by applying L2
59 or IPv4/IPv6 configuration depending on the test suite.
60 DUT (VPP) test topology with N VM instances
61 is shown in the figure below including applicable packet flow thru the DUTs and
62 VMs (marked in the figure with ``***``).
63
64 ::
65
66     +-------------------------+           +-------------------------+
67     | +---------+ +---------+ |           | +---------+ +---------+ |
68     | |  VM[1]  | |  VM[N]  | |           | |  VM[1]  | |  VM[N]  | |
69     | |  *****  | |  *****  | |           | |  *****  | |  *****  | |
70     | +--^---^--+ +--^---^--+ |           | +--^---^--+ +--^---^--+ |
71     |   *|   |*     *|   |*   |           |   *|   |*     *|   |*   |
72     | +--v---v-------v---v--+ |           | +--v---v-------v---v--+ |
73     | |  *   *       *   *  |*|***********|*|  *   *       *   *  | |
74     | |  *   *********   ***<-|-----------|->***   *********   *  | |
75     | |  *    DUT1          | |           | |       DUT2       *  | |
76     | +--^------------------+ |           | +------------------^--+ |
77     |   *|                    |           |                    |*   |
78     |   *|            SUT1    |           |  SUT2              |*   |
79     +-------------------------+           +-------------------------+
80         *|                                                     |*
81         *|                                                     |*
82         *|                    +-----------+                    |*
83         *|                    |           |                    |*
84         *+-------------------->    TG     <--------------------+*
85         **********************|           |**********************
86                               +-----------+
87
88 For VM tests, packets are switched by DUT (VPP) multiple times: twice for a
89 single VM, three times for two VMs, N+1 times for N VMs.
90 Hence the external
91 throughput rates measured by TG and listed in this report must be multiplied
92 by (N+1) to represent the actual DUT aggregate packet forwarding rate.
93
94 Note that reported VPP performance results are specific to the SUTs tested.
95 Current LF FD.io SUTs are based on Intel XEON E5-2699v3 2.3GHz CPUs. SUTs with
96 other CPUs are likely to yield different results. A good rule of thumb, that
97 can be applied to estimate VPP packet thoughput for Phy-to-Phy (NIC-to-NIC,
98 PCI-to-PCI) topology, is to expect the forwarding performance to be
99 proportional to CPU core frequency, assuming CPU is the only limiting factor
100 and all other SUT parameters equivalent to FD.io CSIT environment. The same rule
101 of thumb can be also applied for Phy-to-VM-to-Phy (NIC-to-VM-to-NIC) topology,
102 but due to much higher dependency on intensive memory operations and
103 sensitivity to Linux kernel scheduler settings and behaviour, this estimation
104 may not always yield good enough accuracy.
105
106 For detailed LF FD.io test bed specification and physical topology please refer
107 to `LF FDio CSIT testbed wiki page
108 <https://wiki.fd.io/view/CSIT/CSIT_LF_testbed>`_.
109
110 Performance Tests Coverage
111 --------------------------
112
113 Performance tests are split into the two main categories:
114
115 - Throughput discovery - discovery of packet forwarding rate using binary search
116   in accordance to RFC2544.
117
118   - NDR - discovery of Non Drop Rate packet throughput, at zero packet loss;
119     followed by one-way packet latency measurements at 10%, 50% and 100% of
120     discovered NDR throughput.
121   - PDR - discovery of Partial Drop Rate, with specified non-zero packet loss
122     currently set to 0.5%; followed by one-way packet latency measurements at
123     100% of discovered PDR throughput.
124
125 - Throughput verification - verification of packet forwarding rate against
126   previously discovered throughput rate. These tests are currently done against
127   0.9 of reference NDR, with reference rates updated periodically.
128
129 CSIT |release| includes following performance test suites, listed per NIC type:
130
131 - 2port10GE X520-DA2 Intel
132
133   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged, dot1q, dot1ad
134     VLAN tagged Ethernet frames.
135   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
136     with MAC learning; disabled MAC learning i.e. static MAC tests to be added.
137   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
138   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
139   - **IPv4 Scale** - IPv4 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
140   - **IPv6 Scale** - IPv6 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
141   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
142     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
143     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
144   - **COP** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with COP address security.
145   - **iACL** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with iACL address security.
146   - **LISP** - LISP overlay tunneling for IPv4-over-IPv4, IPv6-over-IPv4,
147     IPv6-over-IPv6, IPv4-over-IPv6 in IPv4 and IPv6 routed-forwarding modes.
148   - **VXLAN** - VXLAN overlay tunnelling integration with L2XC and L2BD.
149   - **QoS Policer** - ingress packet rate measuring, marking and limiting
150     (IPv4).
151   - **CGNAT** - Carrier Grade Network Address Translation tests with varying
152     number of users and ports per user.
153
154 - 2port40GE XL710 Intel
155
156   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged Ethernet frames.
157   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
158     with MAC learning.
159   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
160   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
161   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
162     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
163     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
164   - **IPSec** - IPSec encryption with AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination
165     with IPv4 routed-forwarding.
166   - **IPSec+LISP** - IPSec encryption with CBC-SHA1 ciphers, in combination
167     with LISP-GPE overlay tunneling for IPv4-over-IPv4.
168
169 - 2port10GE X710 Intel
170
171   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
172     with MAC learning.
173   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM using vhost-user
174     interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2 Bridge-Domain.
175
176 - 2port10GE VIC1227 Cisco
177
178   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
179     with MAC learning.
180
181 - 2port40GE VIC1385 Cisco
182
183   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
184      with MAC learning.
185
186 Execution of performance tests takes time, especially the throughput discovery
187 tests. Due to limited HW testbed resources available within FD.io labs hosted
188 by Linux Foundation, the number of tests for NICs other than X520 (a.k.a.
189 Niantic) has been limited to few baseline tests. Over time we expect the HW
190 testbed resources to grow, and will be adding complete set of performance
191 tests for all models of hardware to be executed regularly and(or)
192 continuously.
193
194 Performance Tests Naming
195 ------------------------
196
197 CSIT |release| follows a common structured naming convention for all
198 performance and system functional tests, introduced in CSIT |release-1|.
199
200 The naming should be intuitive for majority of the tests. Complete
201 description of CSIT test naming convention is provided on `CSIT test naming wiki
202 <https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-test-naming>`_.
203
204 Here few illustrative examples of the new naming usage for performance test
205 suites:
206
207 #. **Physical port to physical port - a.k.a. NIC-to-NIC, Phy-to-Phy, P2P**
208
209    - *PortNICConfig-WireEncapsulation-PacketForwardingFunction-
210      PacketProcessingFunction1-...-PacketProcessingFunctionN-TestType*
211    - *10ge2p1x520-dot1q-l2bdbasemaclrn-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on
212      Intel x520 NIC, dot1q tagged Ethernet, L2 bridge-domain baseline switching
213      with MAC learning, NDR throughput discovery.
214    - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-ndrchk.robot* => 2 ports of 10GE
215      on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain baseline
216      switching with MAC learning, NDR throughput discovery.
217    - *10ge2p1x520-ethip4-ip4base-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on Intel
218      x520 NIC, IPv4 baseline routed forwarding, NDR throughput discovery.
219    - *10ge2p1x520-ethip6-ip6scale200k-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on
220      Intel x520 NIC, IPv6 scaled up routed forwarding, NDR throughput
221      discovery.
222
223 #. **Physical port to VM (or VM chain) to physical port - a.k.a. NIC2VM2NIC,
224    P2V2P, NIC2VMchain2NIC, P2V2V2P**
225
226    - *PortNICConfig-WireEncapsulation-PacketForwardingFunction-
227      PacketProcessingFunction1-...-PacketProcessingFunctionN-VirtEncapsulation-
228      VirtPortConfig-VMconfig-TestType*
229    - *10ge2p1x520-dot1q-l2bdbasemaclrn-eth-2vhost-1vm-ndrdisc.robot* => 2 ports
230      of 10GE on Intel x520 NIC, dot1q tagged Ethernet, L2 bridge-domain
231      switching to/from two vhost interfaces and one VM, NDR throughput
232      discovery.
233    - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-eth-2vhost-1vm-ndrdisc.robot* => 2
234      ports of 10GE on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain
235      switching to/from two vhost interfaces and one VM, NDR throughput
236      discovery.
237    - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-eth-4vhost-2vm-ndrdisc.robot* => 2
238      ports of 10GE on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain
239      switching to/from four vhost interfaces and two VMs, NDR throughput
240      discovery.
241
242 Methodology: Multi-Thread and Multi-Core
243 ----------------------------------------
244
245 **HyperThreading** - CSIT |release| performance tests are executed with SUT
246 servers' Intel XEON CPUs configured in HyperThreading Disabled mode (BIOS
247 settings). This is the simplest configuration used to establish baseline
248 single-thread single-core SW packet processing and forwarding performance.
249 Subsequent releases of CSIT will add performance tests with Intel
250 HyperThreading Enabled (requires BIOS settings change and hard reboot).
251
252 **Multi-core Test** - CSIT |release| multi-core tests are executed in the
253 following VPP thread and core configurations:
254
255 #. 1t1c - 1 VPP worker thread on 1 CPU physical core.
256 #. 2t2c - 2 VPP worker threads on 2 CPU physical cores.
257
258 Note that in quite a few test cases running VPP on 2 physical cores hits
259 the tested NIC I/O bandwidth or packets-per-second limit.
260
261 Methodology: Packet Throughput
262 ------------------------------
263
264 Following values are measured and reported for packet throughput tests:
265
266 - NDR binary search per RFC2544:
267
268   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps
269     (2x <per direction packets-per-second>)"
270   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
271     second> Gbps (untagged)"
272
273 - PDR binary search per RFC2544:
274
275   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps (2x
276     <per direction packets-per-second>)"
277   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
278     second> Gbps (untagged)"
279   - Packet loss tolerance: "LOSS_ACCEPTANCE <accepted percentage of packets
280     lost at PDR rate>""
281
282 - NDR and PDR are measured for the following L2 frame sizes:
283
284   - IPv4: 64B, IMIX_v4_1 (28x64B,16x570B,4x1518B), 1518B, 9000B.
285   - IPv6: 78B, 1518B, 9000B.
286
287
288 Methodology: Packet Latency
289 ---------------------------
290
291 TRex Traffic Generator (TG) is used for measuring latency of VPP DUTs. Reported
292 latency values are measured using following methodology:
293
294 - Latency tests are performed at 10%, 50% of discovered NDR rate (non drop rate)
295   for each NDR throughput test and packet size (except IMIX).
296 - TG sends dedicated latency streams, one per direction, each at the rate of
297   10kpps at the prescribed packet size; these are sent in addition to the main
298   load streams.
299 - TG reports min/avg/max latency values per stream direction, hence two sets
300   of latency values are reported per test case; future release of TRex is
301   expected to report latency percentiles.
302 - Reported latency values are aggregate across two SUTs due to three node
303   topology used for all performance tests; for per SUT latency, reported value
304   should be divided by two.
305 - 1usec is the measurement accuracy advertised by TRex TG for the setup used in
306   FD.io labs used by CSIT project.
307 - TRex setup introduces an always-on error of about 2*2usec per latency flow -
308   additonal Tx/Rx interface latency induced by TRex SW writing and reading
309   packet timestamps on CPU cores without HW acceleration on NICs closer to the
310   interface line.
311
312
313 Methodology: KVM VM vhost
314 -------------------------
315
316 CSIT |release| introduced environment configuration changes to KVM Qemu vhost-
317 user tests in order to more representatively measure |vpp-release| performance
318 in configurations with vhost-user interfaces and VMs.
319
320 Current setup of CSIT FD.io performance lab is using tuned settings for more
321 optimal performance of KVM Qemu:
322
323 - Qemu virtio queue size has been increased from default value of 256 to 1024
324   descriptors.
325 - Adjusted Linux kernel CFS scheduler settings, as detailed on this CSIT wiki
326   page: https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-perf-env-tuning-ubuntu1604.
327
328 Adjusted Linux kernel CFS settings make the NDR and PDR throughput performance
329 of VPP+VM system less sensitive to other Linux OS system tasks by reducing
330 their interference on CPU cores that are designated for critical software
331 tasks under test, namely VPP worker threads in host and Testpmd threads in
332 guest dealing with data plan.
333
334 Methodology: IPSec with Intel QAT HW cards
335 ------------------------------------------
336
337 VPP IPSec performance tests are using DPDK cryptodev device driver in
338 combination with HW cryptodev devices - Intel QAT 8950 50G - present in
339 LF FD.io physical testbeds. DPDK cryptodev can be used for all IPSec
340 data plane functions supported by VPP.
341
342 Currently CSIT |release| implements following IPSec test cases:
343
344 - AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination with IPv4 routed-forwarding
345   with Intel xl710 NIC.
346 - CBC-SHA1 ciphers, in combination with LISP-GPE overlay tunneling for
347   IPv4-over-IPv4 with Intel xl710 NIC.
348
349 Methodology: TRex Traffic Generator Usage
350 -----------------------------------------
351
352 The `TRex traffic generator <https://wiki.fd.io/view/TRex>`_ is used for all
353 CSIT performance tests. TRex stateless mode is used to measure NDR and PDR
354 throughputs using binary search (NDR and PDR discovery tests) and for quick
355 checks of DUT performance against the reference NDRs (NDR check tests) for
356 specific configuration.
357
358 TRex is installed and run on the TG compute node. The typical procedure is:
359
360 - If the TRex is not already installed on TG, it is installed in the
361   suite setup phase - see `TRex intallation`_.
362 - TRex configuration is set in its configuration file
363   ::
364
365   /etc/trex_cfg.yaml
366
367 - TRex is started in the background mode
368   ::
369
370   $ sh -c 'cd /opt/trex-core-2.25/scripts/ && sudo nohup ./t-rex-64 -i -c 7 --iom 0 > /dev/null 2>&1 &' > /dev/null
371
372 - There are traffic streams dynamically prepared for each test. The traffic
373   is sent and the statistics obtained using trex_stl_lib.api.STLClient.
374
375 **Measuring packet loss**
376
377 - Create an instance of STLClient
378 - Connect to the client
379 - Add all streams
380 - Clear statistics
381 - Send the traffic for defined time
382 - Get the statistics
383
384 If there is a warm-up phase required, the traffic is sent also before test and
385 the statistics are ignored.
386
387 **Measuring latency**
388
389 If measurement of latency is requested, two more packet streams are created (one
390 for each direction) with TRex flow_stats parameter set to STLFlowLatencyStats. In
391 that case, returned statistics will also include min/avg/max latency values.